探討超大斷面小凈距隧道新奧法施工技術(shù)控制

池卓航，何 城，王 豐，賴浩成，潘櫻桃

（1、中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665；2、中建四局華南建設(shè)有限公司 廣州510663）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為了滿足居民的出行要求，高速公路與城市市政道路中的隧道建設(shè)已經(jīng)顯著增多。其中，運(yùn)用較為多的當(dāng)屬大斷面小凈距隧道的修建，其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益有著深遠(yuǎn)、廣闊的前景。本文以貴陽市某環(huán)線道路的3座超大斷面小凈距隧道工程的設(shè)計(jì)和施工為依托，參閱了大量的文獻(xiàn)資料并結(jié)合本工程隧道施工的實(shí)踐，總結(jié)出以新奧法為主的施工方法，以便供山地為主的高速公路、市政道路等類似隧道施工參考。

1 概述

1.1 工程簡況

貴陽市某環(huán)線道路工程，道路全長約13.2 km，擁有3 段隧道。1 號隧道全長295 m，施工環(huán)境比較復(fù)雜，進(jìn)出口處民房密集，巖石地層出露，左側(cè)民房大多數(shù)為20 世紀(jì)70 年代修建且房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，隨山崖修建，洞頂上有大量民宅，號稱貴陽的布達(dá)拉宮，如圖1所示。

圖1 1號隧道原始地貌Fig.1 Original Landform of Tunnel 1

2 號隧道全長470 m，隧道位于S 型曲線上，隧道設(shè)計(jì)縱坡2.5%，進(jìn)口（南洞口）高程為1 130.058 m，出口（北洞口）高程為1 141.798 m，進(jìn)出口高程差11.740 m，出口段地形較緩。

3 號隧道全長221 m，隧道位于S 型曲線上，隧道設(shè)計(jì)縱坡0.5%，進(jìn)口掘進(jìn)為一下坡洞，進(jìn)出口段巖石十分破碎，幾乎為全風(fēng)化巖石。

1.2 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造

本工程1號隧道地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。隧道有一南北向斷層，此斷層受地層隆起形成，斷面凌亂破碎，受向斜及斷層構(gòu)造影響，隧道構(gòu)造部位及鄰近地段巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，進(jìn)口段為中厚層白云巖，巖體節(jié)理發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，柱狀，巖石自穩(wěn)能力差，極不穩(wěn)定，開挖后暴露時間長，易垮塌、掉塊；洞身段為中厚層白云巖、灰?guī)r，十分破碎，此種巖體直至出口，自穩(wěn)時間短，開挖暴露短時間內(nèi)即可發(fā)生崩解，尤以拱頂及邊墻部位極易形成較大規(guī)模的坍塌破壞。

2號隧道處于溶蝕峰叢地貌區(qū)，以中低山為主，地貌單元為風(fēng)化剝蝕緩坡丘陵及低山地貌，地形起伏較大；本隧道進(jìn)出口段巖溶、泥腔較發(fā)育，孤石、溶腔、溶洞較多，為本隧道施工之難點(diǎn)。

3號隧道同樣位于溶蝕峰叢地貌區(qū)，以中低山、丘陵為主，地貌單元為風(fēng)化剝蝕緩坡中低山地貌，喀斯特地貌比較發(fā)育，大部分被第四系殘坡積土或雜填土覆蓋，少部分為裸露基巖，隧道地形起伏較大，隧道位于斜坡中，地勢西高東低，高差29 m。

1.3 隧道設(shè)計(jì)概況

3 座隧道均為左、右線分離的雙洞單向行車三車道隧道，隧道內(nèi)輪廓采用三心圓形式，單洞凈寬15.342 m，凈高9.749 m；其中隧道行車寬度（2×3.75+3.5）m，路緣帶寬度（2×0.5）m，單側(cè)檢修道寬0.75 m，單側(cè)人行道寬1.5 m，路面至拱頂高7.874 m，限高5.0 m。

2 山嶺隧道運(yùn)用新奧法施工原理分析

新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，其應(yīng)用巖體力學(xué)的理論，在維護(hù)周圍巖體穩(wěn)定性的同時利用本身的自穩(wěn)能力為基點(diǎn)。綜合考慮開挖隧道過程中，由于時空對周圍巖體的擠壓應(yīng)力與過程變形產(chǎn)生的作用。而采用引發(fā)爆破的方法進(jìn)行挖掘，從而降低對周圍巖體的擾動性。這樣再使周圍巖體組合成為支護(hù)體系的一部分，接著用錨桿施工與噴射混凝土的方式使巖體緊密在一起，并作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。從而達(dá)成控制周圍巖體的變形程度與穩(wěn)固程度的效果［1］。

隧道新奧法施工的主要特點(diǎn)是通過提前預(yù)警地質(zhì)變化及采用多種測量方法，主要是保持動態(tài)監(jiān)測隧道周圍巖體以及支護(hù)機(jī)構(gòu)的變形、穩(wěn)定性，及時收集并反饋組合體的力學(xué)變化特征及其動態(tài)，為之后的二次支護(hù)提供合理的參考依據(jù)。通過提前預(yù)警地質(zhì)變化以及多種測量方法反饋的信息，來指導(dǎo)后續(xù)工程的設(shè)計(jì)、施工。

為使周圍巖體與前期的支護(hù)結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的支承體系，須充分重視以下規(guī)則：

⑴充分考慮巖體力學(xué)的相關(guān)理論。

⑵在合適的時候修筑支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證在周圍巖體中維持穩(wěn)定良好的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

⑶對于軟弱巖層來說，需要修筑完整閉合的支護(hù)結(jié)構(gòu)用以確保周圍巖體形成力學(xué)上穩(wěn)定的中筒狀支承環(huán)結(jié)構(gòu)。

⑷隨著現(xiàn)場進(jìn)度實(shí)時測量監(jiān)視周圍巖體的狀態(tài)，在允許變形量范圍內(nèi)修筑最經(jīng)濟(jì)最穩(wěn)固的支護(hù)體系。

⑸在施工過程中對隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，并根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況對施工和設(shè)計(jì)進(jìn)行適宜性調(diào)整［2］。

傳統(tǒng)的隧道施工方法是利用修筑厚層混凝土壁結(jié)構(gòu)做隧道支護(hù)體系，以保障周圍巖體的穩(wěn)定性。而新奧法隧道施工則不同于此種施工方法，它是將巖體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，且視為其自身支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。在彈性、塑性等力學(xué)原理指導(dǎo)下，開挖山體、巖石的隧道過程中，從周圍巖體產(chǎn)生變形到巖體發(fā)生破壞有一段時間效應(yīng)，適當(dāng)合理地運(yùn)用噴射的方式在周圍巖體上修筑一層柔性薄壁混凝土聯(lián)合錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)，來保護(hù)周圍巖體并且運(yùn)用它天然的承載力，使得周圍巖體本身也變成支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，進(jìn)一步促進(jìn)周圍巖體與噴錨結(jié)構(gòu)組成的支護(hù)體系，共同形成堅(jiān)固的承載環(huán)——長期穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)［3］。

因此，新奧法施工的要點(diǎn)可歸納如下：

⑴此施工方法一般宜采用光面爆破等開挖方式，同時采用大斷面或較大斷面開挖進(jìn)洞方法，以達(dá)到降低對周圍巖體擾動的效果。

⑵隧道開挖過程中，不同階段均需要運(yùn)用周圍巖體的自承能力，充分發(fā)揮周圍巖體自身的支護(hù)作用。

⑶根據(jù)周圍巖體的特性，可選用適合當(dāng)前巖體類型的支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)。及時噴射密貼于周圍巖體的柔性混凝土及進(jìn)行錨桿初期支護(hù)，以控制周圍巖體的變形或垮塌［4］。

⑷在巖體較為脆弱松散的地段，應(yīng)該采取措施使巖層斷面及早閉合，以便有效地發(fā)揮周圍支護(hù)體系的作用，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

⑸當(dāng)周圍巖體與最初修筑的噴射混凝土與錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形基本穩(wěn)定后，開始修筑二次襯砌，促使周圍巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個整體，以提高支護(hù)體系的安全度。

⑹施工過程中，保證隧道的沿線斷面四周輪廓圓順平滑，避免產(chǎn)生棱角、應(yīng)力集中［5］。

施工過程中可采取超前預(yù)警以及支護(hù)動態(tài)監(jiān)測的手段，并合理安排施工時間與工序，及時做好設(shè)計(jì)變更和日常的施工管理工作。

3 超大斷面小凈距隧道爆破方法選擇

開挖方法與爆破方法密不可分，超大斷面小凈距隧道的施工選擇正確的爆破開挖方法顯得十分重要。減少爆破震動利用周圍巖體自穩(wěn)能力是2個平行洞安全施工的關(guān)鍵。具體歸納如下：

⑴較硬、穩(wěn)定性好的巖石隧道可以采用臺階開挖，為了充分利用大斷面機(jī)械化施工上臺階宜在80 m2以內(nèi)，掏心炮眼一定要先起爆有一定臨空面后再起爆壓頂炮，若周圍巖體較差周邊眼可先預(yù)裂爆破產(chǎn)生周邊裂紋后，阻隔掏心炮產(chǎn)生的爆破震動對另一隧道巖石穩(wěn)定性的影響。下臺階的開挖宜先拉中槽，中槽宜在兩邊預(yù)裂爆破后采用毫秒雷管臺階微差爆破炸出中槽，中槽出渣后爆破開挖下邊墻，左右下邊墻必須錯開進(jìn)行，離相鄰洞遠(yuǎn)的下邊墻先施工，下邊墻的開挖鋼拱架接腿施工不宜太多，下邊墻接腿鋼拱架高度不宜超過3 m［6］。

⑵為了減少左右隧道爆破施工的相互影響，左右兩隧道要錯開不小于50 m 的距離施工［7］。仰拱底部宜采用先行預(yù)裂爆破使底部巖石整體性完好，也便于與仰拱混凝土形成統(tǒng)一的整體。

⑶大斷面小凈距隧道的施工中，遇到左右洞中夾巖，此時施工的質(zhì)量是重中之重。隧道左右洞中夾巖部位開挖后最薄處不到2.9 m，設(shè)計(jì)采用砂漿錨桿左右錯開對拉設(shè)計(jì)施工，通過施工實(shí)踐應(yīng)設(shè)計(jì)為小導(dǎo)管注漿為宜，小導(dǎo)管注漿即起到了拉結(jié)作用，又可以往中夾巖柱孔隙內(nèi)注漿，可以固結(jié)巖石，從而提高整體穩(wěn)定作用。而初期支護(hù)后面的巖石空洞是隧道坍塌的最大安全隱患，對于初期支護(hù)后面大的空洞一定要用漿砌片石砌好后注水泥砂漿，防止空洞上的孤石掉落砸壞拱架引起坍塌。

⑷單口掘進(jìn)出洞施工注意要點(diǎn)：3座隧道由于不長，均采用單口掘進(jìn)。出洞前要提前測量洞外地形地貌情況，清除洞頂及周圍不穩(wěn)定孤石，做好洞頂排水溝，封閉山體防止地表水進(jìn)入，防止凍融破壞?？斐龆辞罢莆蘸美锍糖闆r，提前在上導(dǎo)洞開個小洞出來后把風(fēng)水管接出來，提前把洞外錨噴支護(hù)后反打管棚施作，在洞外確保穩(wěn)定后然后慢慢擴(kuò)大小洞并盡快把二襯鋼筋混凝土施作完畢、盡快施工洞門穩(wěn)定山體。左右隧道一定要錯開較遠(yuǎn)距離，保證先出洞的二次砌筑施工完成后，再開始進(jìn)行另一隧道的出洞施工。

4 隧道洞口明暗交界里程的選擇和施工

隧道洞口設(shè)計(jì)進(jìn)洞里程一般都考慮邊仰坡的開挖錨噴支護(hù)，這種設(shè)計(jì)理念常常破壞洞口地帶的天然植被、擾動洞口地帶的天然巖石，違背了早進(jìn)洞的施工原則，洞門施工完后回填土方很難上去，增大了工程成本。施工單位要根據(jù)洞口地形地貌、周圍巖體條件靈活選擇進(jìn)洞里程，當(dāng)然這種方法一定要在與設(shè)計(jì)院溝通、保證安全施工的前提下進(jìn)行。

隧道洞口施工常規(guī)做法是先開挖支護(hù)進(jìn)洞，暗洞施工一定二襯后回頭施作明洞，這種施工方法一定要把套拱做好，套拱一定要落在堅(jiān)硬的基巖上，若基巖巖石較差的一定要人為加強(qiáng)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，套拱一定要采用錨桿與整個山體巖石形成統(tǒng)一整體，套拱要考慮預(yù)留沉落量。以上幾點(diǎn)如果設(shè)計(jì)未考慮施工單位必須考慮實(shí)施，這是暗洞安全施工的前提［7］。

5 超大斷面小凈距隧道施工開挖方法的選擇

隧道周圍巖體開挖方法、施工工藝在考慮斷面大小的前提下，必須考慮周圍巖體的穩(wěn)定性，影響周圍巖體穩(wěn)定性的主要因素有：

⑴巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，其中巖石的堅(jiān)硬程度是決定周圍巖體穩(wěn)定性的最重要因素；

⑵周圍地質(zhì)的構(gòu)造、節(jié)理和層理結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，以上因素所構(gòu)造的巖體結(jié)構(gòu)和巖體發(fā)育的完整性對周圍巖體的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用［8］；

⑶地下水的蘊(yùn)含程度，是影響周圍巖體穩(wěn)定性的重要因素之一；

⑷周圍巖體所承受的荷載；

⑸隧道的臨邊條件、開挖技術(shù)手段與施工工藝等［9］。

當(dāng)前超大斷面隧道的開挖方法一般采用的是CD法與CRD 法，1、2 號隧道開挖方法設(shè)計(jì)為CD 法，由于這2座隧道洞口段巖石較硬、地下水不豐富，為巖石裂隙水，根據(jù)新奧法基本理念：少擾動周圍巖體、利用周圍巖體自穩(wěn)能力，在人為加強(qiáng)洞口巖石自穩(wěn)能力的前提下，采用三臺階進(jìn)洞方法并取得了成功。3 號隧道進(jìn)口段巖體節(jié)理發(fā)育，巖層為可溶巖分布，埋層極淺，幾乎為全風(fēng)化，遇水自穩(wěn)能力極差易垮塌，所以本項(xiàng)目3號隧道采用CRD法進(jìn)行施工。

6 本項(xiàng)目3座隧道施工技術(shù)

1 號隧道進(jìn)口地勢較陡，巖層為自穩(wěn)能力較好的白云巖，故選擇為隧道施工的掘進(jìn)口，在處理危石后掛網(wǎng)封閉，直接在天然巖石上施作套拱和30 m 長管棚，避免了刷邊仰坡對天然植被的破壞，避免了爆破開挖邊仰坡對天然巖石的擾動破壞，減少了明洞上的回填工作量，節(jié)省了工期，增加了效益。由于進(jìn)口洞頂及兩側(cè)有大量民房，為了減少每次起爆的單位用藥量，在上導(dǎo)坑的中下部位先掘進(jìn)開挖1個30 m2左右的中導(dǎo)洞，出渣可以采用裝載機(jī)退著出，每個循環(huán)必須把危石清除干凈并初噴，在有一定距離后放壓頂炮、周邊炮后安設(shè)上導(dǎo)坑拱架、錨噴支護(hù)。

2 號隧道出口原始地貌為較緩的山坡，出口段路基須開挖20 m 才能達(dá)到設(shè)計(jì)路面標(biāo)高，為一廢棄場地，便于隧道施工臨時設(shè)施的布置，故選擇從出口往進(jìn)口掘進(jìn)［10］。由于貴州雨水較多，為了滿足盡快進(jìn)洞施工的原則，在進(jìn)行臨時設(shè)施施工的同時，需要加快速度施工開挖隧道洞口的邊仰坡，并隨時開挖隨時做好錨噴支護(hù)工作，避開了在雨季洞外施工。由于洞口山體覆蓋層薄，巖石穩(wěn)定性差，為了不擾動周圍巖體，充分利用周圍巖體的自穩(wěn)能力，剛進(jìn)洞采用分部開挖，且掏心眼先起爆具有一定臨空面后再起爆蹦落眼、周邊眼，減少了爆轟波的疊加以及周圍居民房屋的爆破震動。左洞先掘進(jìn)開挖50 m 后進(jìn)行右洞的開挖掘進(jìn)。

3號隧道進(jìn)口段巖體節(jié)理發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，埋層極淺（最薄處只有3 m），可溶巖分布，遇水自穩(wěn)能力極差易垮塌，為3個隧道中安全隱患、施工風(fēng)險(xiǎn)最大的地段，如圖2所示。

設(shè)計(jì)采用護(hù)套拱、30 m 長管棚進(jìn)洞方案，進(jìn)洞開挖采用CRD法施工，按Ⅴ級周圍巖體支護(hù)襯砌。施工單位按設(shè)計(jì)圖紙采用潛孔鉆施作長管棚并注漿，然后按圖開挖掘進(jìn)，右洞進(jìn)入20 m后初期支護(hù)鋼拱架變形侵入二襯，后在換拱架、澆中夾墻混凝土施工、加強(qiáng)豎向、橫向支撐后才得以施工過去。

圖2 3號隧道Fig.2 Tunnel 3

7 結(jié)語

以貴陽市某環(huán)線道路3座隧道的設(shè)計(jì)和施工為依托，結(jié)合本工程3座隧道施工的實(shí)踐，對在貴州地區(qū)超大斷面小凈距隧道施工過程的施工流程、施工技術(shù)與安全控制等有了進(jìn)一步的認(rèn)識與提高，針對應(yīng)采取的處理方法做了比對并選擇出最適合此次工程的施工方法，總結(jié)出以新奧法為主的施工方法，為今后山區(qū)高速公路、市政道路等大斷面小凈距隧道施工提供參考，其技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)可供同類型工程借鑒。